Если вставить в катушку с током стержень из закалённой стали, то в отличие от железного стержня он не размагничивается после выключения тока, а длительное время сохраняет намагниченность.
Тела, длительное время сохраняющие намагниченность, называются постоянными магнитами или просто магнитами.
Французский учёный Ампер объяснял намагниченность железа и стали существованием электрических токов, которые циркулируют внутри каждой молекулы этих веществ. Во времена Ампера о строении атома ещё ничего не знали, поэтому природа молекулярных токов оставалась неизвестной. Теперь мы знаем, что в каждом атоме имеются отрицательно заряженные частицы — электроны. При движении электронов возникает магнитное поле, которое и вызывает намагниченность железа и стали.
На рисунке 108 изображены дугообразный и полосовой магниты.
Рис. 108. Постоянные магниты
Те места магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия, называют полюсами магнита (рис. 109). У всякого магнита, как и у известной нам магнитной стрелки, обязательно есть два полюса: северный (N) и южный (S).
Рис. 109. Полюса магнита
Поднося магнит к предметам, изготовленным из различных материалов, можно установить, что магнитом притягиваются очень немногие из них. Хорошо притягиваются магнитом чугун, сталь, железо и некоторые сплавы, значительно слабее никель и кобальт.
В природе встречаются естественные магниты (рис. 110) — железная руда (так называемый магнитный железняк). Богатые залежи магнитного железняка имеются на Урале, в Карелии, Курской области и во многих других местах.
Рис. 110. Притяжение металлических тел естественным магнитом
Железо, сталь, никель, кобальт и некоторые другие сплавы в присутствии магнитного железняка приобретают магнитные свойства.
Магнитный железняк позволил людям впервые ознакомиться с магнитными свойствами тел. Перечислим основные из этих свойств.
Если магнитную стрелку приблизить к другой такой же стрелке, то они повернутся и установятся друг против друга противоположными полюсами (рис. 111).
Рис. 111. Взаимодействие магнитных стрелок
Так же взаимодействует стрелка и с любым магнитом.
Поднося к полюсам магнитной стрелки магнит, можно заметить, что северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному полюсу. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается северным полюсом.
На основании описанных опытов можно сделать следующее заключение: разноимённые магнитные полюсы притягиваются, одноимённые отталкиваются. Это правило относится и к электромагнитам.
Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого магнита имеется магнитное поле. Магнитное поле одного магнита действует на другой магнит, и, наоборот, магнитное поле второго магнита действует на первый.
С помощью железных опилок можно получить представление о виде магнитного поля постоянных магнитов.
Рисунок 112, а даёт представление о картине магнитного поля полосового магнита, а рисунок 112, б — о картине магнитного поля дугообразного магнита. Как магнитные линии магнитного поля тока, так и магнитные линии магнитного поля магнита — замкнутые линии. Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита, так же как магнитные линии катушки с током.
Рис. 112. Картина магнитного поля полосового и дугообразного магнитов
На рисунке 113, а показаны магнитные линии магнитного поля двух магнитов, обращенных друг к другу одноимёнными полюсами, а на рисунке 113, б — двух магнитов, обращенных друг к другу разноимёнными полюсами.
Рис. 113. Магнитные линии магнитного поля, созданного двумя магнитами
Все описанные выше картины можно легко получить на опыте.
Немного из истории магнетизма
Исследование явления магнетизма началось много веков назад, когда еще в VI в. до н.э. в древнем Китае были обнаружен камни (горная порода), которые притягивали к себе железные предметы. В 1269 г. французский исследователь Петр Перегрин разместил на поверхности постоянного сферического магнита маленькие стальные иголки и увидел, что они расположились не хаотично, а по определенным линиям, которые пересекались в двух точках, названных “полюсами” по аналогии с географическими полюсами Земли. Можно сказать, что это была первая “визуализация” магнитных линий.
Только в 1845 г. английский физик Майкл Фарадей для понимания сути магнитных явлений сформулировал понятие “магнитного поля”. Он считал, что как электрическое, так и магнитное взаимодействия осуществляются посредством невидимых полей — электрического и магнитного. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на движущиеся заряды.
В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электрическое и наоборот — непостоянное (изменяющееся во времени) электрическое поле создает магнитное поле. Это явление стало известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Слово индукция латинского происхождения (induction) означает “наведение, выведение”.
Основные признаки и свойства магнитных линий
Магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов (полосовых, дугообразных или иной формы) и вокруг металлического провода, по которому течет электрический ток.
Магнитное поле изображается в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукция — это некая геометрическая кривая, в любой точке которой вектор (направление) магнитной индукции направлен по касательной к ней.
Можно выделить основные свойства магнитных линий:
- Магнитные линии непрерывны;
- Магнитные линии всегда замкнуты. Это означает, что в природе не существует отдельных магнитных зарядов по аналогии с электрическими зарядами. Исследователи долго пытались найти этот заряд с помощью уменьшения (дробления) размеров постоянных магнитов. Но даже самый микроскопический магнитик всегда имеет два полюса: северный и южный;
- Направление магнитных линий зависит от направления электрического тока;
- Густота (плотность) линий соответствует величине поля: чем гуще (плотнее) расположены линии, тем больше значение поля.
Магнитные линии полосового магнита
С помощью простого эксперимент можно продемонстрировать свойства магнитных линий. Полосовой магнит кладется на горизонтальную поверхность, на него сверху — прозрачная (неметаллическая) пластинка, на которую насыпают мелкие железные опилки. Под действием магнита опилки намагничиваются и становятся как бы магнитными стрелочками. Видно, что опилки располагаются вдоль магнитных линий, которые выходят из северного полюса N и входят в южный полюс S. Гуще всего линии расположены в районе полюсов магнита.
Рис. 1. Магнитные линии полосового магнита
Магнитные линии дугообразного магнита
По аналогичной схеме можно поставить эксперимент с дугообразным магнитом.
Рис. 2. Магнитные линии дугообразного магнита.
Видно, что по всему магниту магнитные линии начинаются на северном полюсе и оканчиваются на южном.
Магнитные линии прямого провода с током
Используем такую же схему эксперимента для прямого провода, по которому течет электрический ток. В данном случае можно заменить прозрачную пластину на кусок картона или фанеры.
Рис. 3. Магнитные линии прямого провода с током.
Видно, что опилки выстраиваются по концентрическим окружностям, показывая форму магнитных линий. При изменении направления тока опилки поворачиваются на 180 0 . Следовательно, направление магнитных линий в данном случае связано с направлением тока в проводнике.
Известно, что Земля — это огромный “полосовой” магнит. Благодаря этому, с помощью магнитной стрелки компаса мы можем ориентироваться в пространстве. Но надо иметь ввиду, что есть места с крупными залежами магнетитов (железных руд), которые создают сильное “фоновое” магнитное поле, которое поворачивает стрелку компаса вдоль своих магнитных линий. Одно из таких мест — Курская магнитная аномалия, расположенная в Курской области нашей страны.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что магнитное поле изображают в виде магнитных линий, которые: непрерывны, замкнуты, в постоянных магнитах магнитные линии выходят из северного полюса и заканчиваются в южном полюсе, направление магнитных линий прямого провода с электрическим током зависит от направления тока.
По лёгкой проводящей рамке, расположенной между полюсами подковообразного магнита, пропустили электрический ток, направление которого указано на рисунке стрелками.
Магнитное поле будет направлено от северного полюса магнита к южному (перпендикулярно стороне АБ рамки). На стороны рамки с током действует сила Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки, а величина равна 
где 
— сила тока в рамке, 
— величина магнитной индукции поля магнита, 
— длина соответствующей стороны рамки, 
— синус угла между вектором магнитной индукции и направлением тока. Таким образом, на АБ сторону рамки и сторону параллельную ей будут действовать силы, равные по величине, но противоположные по направлению: на левую сторону «от нас», а на правую «на нас». На остальные стороны силы действовать не будут, поскольку ток в них течет параллельно силовым линиям поля. Таким образом рамка начнёт вращаться по часовой стрелке, если смотреть сверху.
По мере поворота направление силы будет меняться и в тот момент, когда рамка повернётся на 90° вращающий момент сменит направление, таким образом, рамка не будет проворачиваться дальше. Некоторое время рамка будет колебаться в таком положении, а затем окажется в положении, указанном на рисунке 4.
Правильный ответ указан под номером 4.